DE102009003724A1

DE102009003724A1 - Method for optimizing network structures in radio networks

Info

Publication number: DE102009003724A1
Application number: DE102009003724A
Authority: DE
Inventors: Albert Krohn; Sabin Wendhack
Original assignee: Softing AG
Current assignee: Softing AG
Priority date: 2009-04-02
Filing date: 2009-04-02
Publication date: 2010-10-07
Also published as: JP2010246118A; US20100303038A1; EP2237592A2; EP2237592A3

Abstract

In WirelessHART-Netzwerken sind bereits Mechanismen bekannt, die für einen sinnvollen Aufbau eines Fn, wobei hierzu auch auf so genannte Health-Reports zurückgegriffen wird, welche von den einzelnen Knoten an einen zentralen Master gesendet werden. Aufgabe der Erfindung ist die Verbesserung der Effizienz derartiger Netzwerke. Nachdem aufgrund der bislang erhobenen Daten, welche des Status der Knoten als solche betreffen, keine Rückschlüsse auf die Verbindungsqualität im Netzwerk geschlossen werden können, werden im Rahmen der Erfindung zusätzliche, die Verbindungsqualität charakterisierende Parameter des Netzwerks als Statusdaten in den einzelnen Knoten erhoben. Diese werden von dem zentralen Master ausgewertet, der hieraus Maßnahmen zur Effizienzoptimierung des Netzwerks herleitet und selbsttätig umsetzt.In WirelessHART networks mechanisms are already known which are used for a sensible establishment of a Fn, in which case also so-called health reports are used, which are sent from the individual nodes to a central master. The object of the invention is to improve the efficiency of such networks. Since no conclusions can be drawn as to the quality of the connection in the network on the basis of the data collected hitherto, which relate to the status of the nodes as such, additional parameters characterizing the connection quality of the network are collected as status data in the individual nodes. These are evaluated by the central master, who derives measures to optimize the efficiency of the network and implements them automatically.

Description

Die vorliegende Erfindung betrifft ein Verfahren zur Optimierung von Netzwerkstrukturen in Funknetzwerken, in denen ein Master jedem anverbundenen Slaveknoten wenigstens einen Zeitschlitz und wenigstens einen Frequenzkanal zur Kommunikation zuweist und den Slaveknoten zyklisch aufruft, innerhalb seines Zeitschlitzes auf dem ihm zugewiesenen Frequenzkanal wenigstens ein Datenpaket zu senden, welches regelmäßig oder im Falle einer ausdrücklichen Anforderung des Masters einen Statusdatensatz mit aufseiten des Slaveknotens ermittelten Statusdaten umfasst.The The present invention relates to a method for optimizing Network structures in wireless networks, where one master each connected slave node at least one time slot and at least assigns a frequency channel for communication and the slave node cyclically, within its time slot on the frequency channel assigned to it to send at least one data packet regularly or in the case of an express request of the Master a status data record with status data determined on the side of the slave node includes.

Ein derartiges Verfahren ist bereits aus der US-Patentschrift 7,420,980 B1 vorbekannt. Die fragliche Patentschrift beschreibt und beansprucht ein im Wesentlichen dem bekannten WirelessHART-System entsprechendes Verfahren, bei welchem zum Aufbau einer Kommunikationsordnung innerhalb eines Funknetzwerks Statusinformationen der einzelnen Knoten des Funknetzwerks berücksichtigt werden.Such a method is already out of the U.S. Patent 7,420,980 B1 previously known. The patent in question describes and claims a method substantially corresponding to the known WirelessHART system, in which status information of the individual nodes of the radio network is taken into account in order to establish a communication order within a radio network.

Das sogenannte WirelessHART-Protokoll sieht zunächst einen zentralen Master vor, welcher zur Regelung der Kommunikati on ein Verfahren umsetzt, bei welchem der Master zunächst eine Sendeaufforderung an die einzelnen Knoten schickt und diese sodann hierauf antworten. Der Master kontrolliert daher vollständig die Kommunikationsabläufe in dem jeweiligen Funknetzwerk. Das hierfür verwendete Kommunikationsschema besteht aus einem zyklisch durchlaufenden Superframe, innerhalb dessen eine Anzahl von Zeitschlitzen vorgesehen ist, wobei für jeden dieser Zeitschlitze auch eine Mehrzahl von Frequenzkanälen wählbar ist. Auf diese Weise ist es möglich, dass mehrere Kommunikationsschritte innerhalb eines Zeitschlitzes dadurch stattfinden, dass diese auf verschiedene Frequenzkanäle verteilt werden.The so-called WirelessHART protocol first sees one central master, which for the regulation of Kommunikati on Implemented method in which the master first a Send request to the individual nodes and then this answer to this. The master therefore controls completely the communication processes in the respective radio network. The communication scheme used for this consists of a cyclic superframe, within which a Number of time slots is provided, wherein for each These time slots also have a plurality of frequency channels is selectable. In this way it is possible that several communication steps within a timeslot thereby that take place on different frequency channels be distributed.

Ein derartiges, zentral gesteuertes Kommunikationssystem hat den Nachteil, dass die relativ unautonom handelnden Knoten nur sehr beschränkte Möglichkeiten haben, auf die Kommunikationsabläufe einzuwirken. So werden die einzelnen Knoten sich selbsttätig dem Netzwerk hinzufügen können, indem sie auf Anmeldeanforderungen bereits im Netzwerk angemeldeter Knoten horchen, auf diese reagieren und sich auf diese Weise beim Master des Netzwerks anmelden, jedoch haben die Knoten keinerlei Einfluss auf den ihnen zugeordneten Zeitschlitz oder Frequenzkanal. Bei Beeinträchtigungen der Verbindung wird dies im schlimmsten Fall dazu führen, dass eine derartige Verbindung verloren geht. In dem Fall, dass sie aufrechterhalten werden kann, wird eine abnehmende Qualität der Verbindung jedoch dazu führen, dass häufige Wiederholungen der gesendeten Nachrichten erforderlich werden. Auch dies ist jedoch gerade nicht erwünscht. Durch die Einteilung der Sendeerlaubnis eines jeden Knotens in nur in einem bestimmten Zeitschlitz ist es möglich, zur Energieeinsparung auf eine Sende- und Empfangsbereitschaft während der Dauer der anderen Zeitschlitze zu verzichten. Dies er möglicht eine besonders energieeffiziente Nutzung der jeweiligen Knoten. Häufige Wiederholungen ein und derselben Nachricht sind jedoch für den Knoten sehr uneffizient, da auf diese Weise unnötig Energie verbraucht wird. Die Lebensdauer ohne Wartung wird daher in einem ungeeigneten Umfeld deutlich kürzer sein, als unter idealen Voraussetzungen.One Such a centrally controlled communication system has the disadvantage that the relatively unautonomous acting nodes have very limited possibilities have to influence the communication processes. So be the individual nodes automatically add themselves to the network can by logging on to logon requests already posted on the network Listen to knots, respond to them, and become so in the process Master of the network login, however, the nodes have no Influence on the time slot or frequency channel assigned to them. If the connection is impaired, this will be the worst Case cause such a connection lost goes. In the event that it can be sustained, a decreasing quality of the connection however cause that frequent repetitions of sent messages be required. However, this is not desirable. By dividing the send permission of each node into only in a given timeslot it is possible to save energy to a send and receive readiness during the duration to dispense with the other time slots. This makes possible a particularly energy-efficient use of the respective nodes. Frequent repetitions of one and the same message however, for the node very inefficient, being unnecessary in this way Energy is consumed. The life without maintenance will therefore be significantly shorter in an unsuitable environment than under ideal conditions.

Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es daher, ein verfahren zu schaffen, in welchem die einzelnen Knoten auf die Qualität der Verbindung zwischen ihnen und dem Master Einfluss nehmen können.task It is therefore an object of the present invention to provide a method in which the individual nodes on the quality of the connection between them and the master can influence.

Gelöst wird diese Aufgabe durch ein Verfahren zur Optimierung von Netzwerkstrukturen in Funknetzwerken gemäß den Merkmalen des Hauptanspruchs. Weitere sinnvolle Ausgestaltungen dieses Verfahrens können den Unteransprüchen entnommen werden.Solved This task is accomplished by a process for optimizing network structures in radio networks according to the features of the main claim. Further useful embodiments of this method can to be taken from the dependent claims.

Innerhalb des WirelessHART-Verfahrens ist es bereits bekannt, sogenannte Health-Reports von den einzelnen Knoten an den Master zu übersenden. Innerhalb dieser Health-Reports werden zahlreiche Parameter in Bezug auf die Funktion des einzelnen Knotens an den Master übermittelt, sodass dieser Rückschlüsse auf die Funktion des Knotens ziehen kann. Nachdem sich hieraus aber nur bedingt strukturelle Maßnahmen ableiten lassen, welche insbesondere die Verbindungsqualität innerhalb des Funknetzwerks beeinträchtigen könnten, sieht die Erfindung vor, zusätzliche Statutsdaten zur Charakterisierung der Funkverbindungsqualität im Funknetzwerk aufseiten der Knoten zu sammeln und an den Master zu übertragen, sodass dieser als zentrale Steuereinheit für die Kommunikation im Funknetzwerk hierauf in ge eigneter Weise reagieren kann. Der Master, welcher die fraglichen Statusdaten empfängt, wird diese auswerten und daraufhin selbsttätig im Rahmen seiner Möglichkeiten geeignete Maßnahmen zur Optimierung der Effizienz des Funknetzwerks einleiten. Hierzu sind erfindungsgemäß im Master eine Reihe von Regeln und Schwellenwerten vorgegeben, welche eine Entscheidung über einzelne Maßnahmen quantifizierbar machen.Within The WirelessHART method is already known, so-called health reports from the individual nodes to the master. Within These health reports are numerous parameters regarding the Transmit the function of the individual node to the master, so that these conclusions on the function of the Knotens can pull. After this, however, only conditionally structural Derive measures, which in particular the connection quality within the wireless network, provides the invention, additional statute data for characterization the radio link quality in the radio network on the side of Nodes to collect and transfer to the master, so this as a central control unit for communication in the radio network can respond to this in ge suitable manner. Of the Master, which receives the status data in question, is evaluate this and then automatically in the context of his Possibilities suitable measures for the optimization the efficiency of the wireless network. For this purpose, according to the invention in Master set a set of rules and thresholds, which a decision on individual measures quantifiable do.

Aufgrund dieses Regelwerks wird der Master gemäß der vorliegenden Erfindung in die Lage versetzt, die Rahmenbedingungen für die Kommunikation zwischen den einzelnen Knoten zu untersuchen und zu verbessern. Energieverbrauch, Reaktionsgeschwindigkeit und Verfügbarkeit des Funknetzwerks werden hierdurch verbessert.By virtue of this set of rules, the master according to the present invention is enabled to examine and improve the framework conditions for communication between the individual nodes. Energy consumption, reaction speed and availability of the wireless network are thereby improved.

Es ist hierzu anzumerken, dass im einzelnen die Auswertung der Statusdaten und die Einleitung von geeigneten Maßnahmen, sowie die Einordnung der einzelnen Knoten in den Superframe, d. h. die Zuweisung von Zeitschlitzen und Frequenzkanäle für die Kommunikation an die einzelnen Knoten, durch einen so genannten Network Manager erfolgt. Hierbei handelt es sich um eine Software, die üblicherweise im Bereich des Masters läuft, aber auch von diesem entfernt ablaufen kann. Im Rahmen dieser Anmeldung wird der Übersicht halber mit dem Begriff „Master” sowohl der zentrale Kommunikationsknoten, als auch der Network Manager bezeichnet, der jedoch softwaretechnisch und/oder physikalisch von dem zentralen Kommunikationsknoten getrennt sein kann.It It should be noted that in detail the evaluation of the status data and the introduction of appropriate measures, as well as the Classification of each node in the superframe, d. H. the assignment of time slots and frequency channels for communication to the individual nodes, through a so-called Network Manager he follows. This is a software that is usually runs in the area of the master, but also away from it can expire. In the context of this application, the overview half with the term "Master" both the central Communication node, as well as the Network Manager called, however software technically and / or physically from the central communication node can be separated.

Konkret ist es im Rahmen der Erfindung dem Master ermöglicht, bei der Verteilung der Kommunikationszeitpunkte und Frequenzkanäle auf den Superframe hierbei einzelne Fre quenzkanäle zumindest innerhalb einzelner Zeitschlitze für die Kommunikation zu sperren. Dies kann dadurch erforderlich werden, dass in den Knoten auf bestimmten Frequenzkanälen verstärkt Prüfsummenfehler auftreten, also davon auszugehen ist, dass Störungen auf dem jeweiligen Frequenzkanal vorliegen. Konkret wird eine Zählung der fraglichen Prüfsummenfehler in den einzelnen Knoten vorgenommen, woraufhin der Master einen Frequenzkanal dann sperrt, wenn ein entsprechender Fehlerzähler innerhalb des Statusdatensatzes der Knoten einen Fehlerschwellwert überschreitet.Concrete it is within the scope of the invention allows the master at the distribution of communication times and frequency channels on the superframe in this case individual Fre quenzkanäle at least within individual time slots for communication to lock. This may be required by the fact that in the nodes on certain frequency channels checksum error amplifies occur, so it is assumed that disturbances present the respective frequency channel. Specifically, a count the checksum error in question in each node then the master locks a frequency channel, if a corresponding error counter within the status record the node exceeds an error threshold.

Im Rahmen der Kommunikation zweier beliebiger Knoten innerhalb des Funknetzwerks ist es zumeist erforderlich, dass der sendende Knoten von dem empfangenden Knoten in der Rückrichtung eine Bestätigung der empfangenen Daten erhält. Für jedes gesendete Paket erwartet der Sendeknoten jeweils eine derartige Bestätigungsmitteilung innerhalb einer vorgegebenen Zeitspanne. Empfängt er die fragliche Bestätigungsmitteilung innerhalb dieser Zeitspanne nicht, so wird der Sendeknoten annehmen, dass die gesendeten Daten ihren Empfänger nicht erreicht haben und sie daher erneut senden. Die erwarteten, jedoch nicht eingegangen Bestätigungsmeldungen werden in einem gesonderten Zähler aufsummiert, dessen Überschreiten eines entsprechenden Zählerschwellwertes ebenfalls eine Sperrung des betroffenen Frequenzkanals auslöst.in the Frame the communication of any two nodes within the Radio network, it is usually required that the sending node from the receiving node in the return direction an acknowledgment receives the received data. For each sent Package expects the transmitting node each such confirmation message within a given period of time. Does he receive the questionable Confirmation message within this period, so the sending node will assume that the data sent is theirs Have not reached recipients and therefore resend them. The expected, but not received confirmation messages are summed up in a separate counter whose crossing a corresponding counter threshold also a blocking of the affected frequency channel.

Ein weiterer Grund für eine Sperrung des Frequenzkanals ist die Nutzung desselben durch ein anderes Funknetzwerk. Sobald also ein Knoten des Funknetzwerks eine Nachricht empfängt, welche von einem Knoten eines fremden Funknetzwerks stammt bzw. an einen fremden Knoten gerichtet ist, so setzt im Rahmen des Statusdatensatzes der die fremde Nachricht empfangende Knoten eine Flag, welche dem Master die Belegung auf dem Frequenzkanal anzeigt. Auch auf eine derartige gesetzte Flag kann der Master mit einer Sperrung des Frequenzkanals reagieren, um keine Überlagerung der Kommunikation der beiden Netzwerke auflösen zu müssen. Hierbei kann, muss jedoch nicht, unterschieden werden, ob es sich bei dem fremden Netzwerk um ein anderes WirelessHART-Netzwerk handelt, oder ob es sich um ein Netzwerk handelt, welches ein anderes Protokoll realisiert. Im ersten dieser beiden Fälle wird der Knoten die Nachricht fehlerfrei empfangen und lediglich feststellen, dass diese in Kommunikation mit einem fremden Funknetzwerk erfolgt ist, im zweiten dieser Fälle wird der Knoten ein erhöhtes Energieniveau auf dem fraglichen Frequenzkanal feststellen und dann die Flag setzen, wenn dieses Energieniveau einen entsprechenden Energieschwellwert überschreitet. Ein derartig überhöhtes Energieniveau lässt auf eine wie auch immer geartete Kommunikation auf dem fraglichen Kanal schließen, die jedoch aufgrund der Einteilung innerhalb des Superframes im Rahmen des eigenen Funknetzwerks nicht stattfinden dürfte.One Another reason for blocking the frequency channel is the use of the same through another wireless network. So soon a node of the radio network receives a message which comes from a node of a foreign radio network or to a foreign node is directed, so sets in the context of the status record the node receiving the foreign message receives a flag indicating the Master indicates the assignment on the frequency channel. Also on one Such set flag, the master can react with a blocking of the frequency channel, no overlay of communication between the two networks to dissolve. This may, but must be not, it can be distinguished, whether it is the foreign network is another WirelessHART network, or if it is a network that implements another protocol. In the first of these two cases, the node becomes the message received error-free and only notice that this in communication with a foreign radio network, in the second of these cases the node becomes an elevated energy level on the questionable one Detect frequency channel and then set the flag if this Energy level exceeds a corresponding energy threshold. Such an excessive energy level leaves to some form of communication on the issue in question Close channel, however, due to the division within of the superframe does not take place within its own radio network likely.

Üblicherweise funktionieren Funknetzwerke nicht nur in direktem Kontakt mit dem Master, sondern auch durch Weiterreichen einer Nachricht über mehrere Brückenknoten hinweg. Auf diese Weise entsteht eine Fahrt vom Master bis hin zu dem eigentlichen Slaveknoten, wobei im Rahmen der Kommunikation mit einem weiter entfernt liegenden Knoten die verwendeten Brückenknoten die Nachrichten der weiter hinten liegenden Knoten in ihrem Sendefenster weiterreichen. Sofern nunmehr ein Slaveknoten, welcher über einen Brückenknoten mit dem Master verbunden ist, seine Verbindung mit diesem Brückenknoten verliert oder auch neu in das Netzwerk eintritt, wird der Master dem Knoten einen neuen Kommunika tionspfad zuweisen. Hierzu wartet der Slaveknoten auf eine Anmeldeaufforderung seitens eines verbindungswilligen Knotens, auf welche er nach dem Empfang antwortet und auf diese Weise die Verbindung mit dem Brückenknoten einleitet. Sobald eine Verbindung eines Slaveknotens mit einem Brückenknoten verloren geht, kann der Slaveknoten sogleich versuchen, eine neue Verbindung selbsttätig mit dem Netzwerk herzustellen. Sofern der Master aber Informationen über alternative Pfade besitzt, wird er dem Slaveknoten einen neuen Kommunikationspfad über andere Brückenknoten zuweisen.Usually Wireless networks are not just in direct contact with the Master, but also by passing a message over several Bridge knot over. In this way, a ride is created from the master to the actual slave node, being in the frame communicating with a node further away used bridge nodes the news of the farther back pass on existing nodes in their send window. If now a slave node, which via a bridge node connected to the master, its connection with this bridge node loses or even re-enters the network becomes the master assign a new communication path to the node. Waiting for this the slave node to a login request on the part of a connection willing Knotens to which he answers after the reception and on this Way the connection with the bridge node initiates. As soon as a connection of a slave node to a bridge node lost, the slave node can immediately try a new one Connect automatically to the network. Provided however, the master will have information about alternate paths he the slave node a new communication path over Assign other bridge nodes.

Sofern Fehler auftreten, welche nicht durch eine Fremdkommunikation oder Überlagerung von Nachrichten und damit einhergehende Prüfsummenfehler verursacht ist, kann es als alternative Maßnahme auch angezeigt sein, eine andere Kommunikationsroute zu wählen. Dies ist insbesondere dann der Fall, wenn die sogenannte Empfangssignalstärke, kurz RSSI (Received Signal Strength Indication) einen hierfür festgelegten Wert unterschreitet. Wird innerhalb einer Kommunikationsverbindung die Empfangssignalstärke zu schwach, so kann dies möglicherweise durch eine Umplanung des Kommunikationspfads behoben werden. Sofern also ein Knoten eine derartige Beeinträchtigung erkennen lässt, wird der Master den fraglichen Knoten von seinen Verbindungen lösen und einen anderen Kommunikationspfad planen, über welchen er mit dem fraglichen Slaveknoten kommuniziert.If errors occur which are not caused by a foreign communication or superimposition of messages and associated checksum errors, it may also be indicated as an alternative measure to choose a different communication route. This is the case in particular when the so-called received signal strength, Short RSSI (Received Signal Strength Indication) falls below a value specified for this purpose. If the received signal strength is too weak within a communication connection, this may possibly be remedied by rescheduling the communication path. Thus, if a node detects such impairment, the master will disconnect the node in question from its connections and schedule another communication path through which it communicates with the slave node in question.

Ebenfalls wird der Master eine Verbindung lösen und neu planen, welche ein Überschreiten des Zeitfensters bedeuten könnte, nämlich dann, wenn ein Systemzeitunterschied zwischen dem Brückenknoten und dem Slaveknoten oberhalb eines hierfür vorgesehenen Zeitschwellwerts festzustellen ist.Also the master will disconnect and reschedule which ones could exceed the time window, namely, when a system time difference between the Bridge node and the slave node above a designated Time threshold is to be determined.

Idealerweise sollte in diesem Fall ein z weiter möglicher Brückenknoten vorhanden sein, über den der Slaveknoten den Datenverkehr umleiten kann und dessen Systemzeit von der Zeit des Slaveknoten weniger abweicht.Ideally should in this case a z further possible bridge node be present, over which the slave node the traffic can redirect and its system time from the time of the slave node less differs.

Soweit hingegen lediglich die durchschnittliche Abweichung der Systemzeit einen Schwellwert überschreitet, kann der Master alternativ hierzu vorsehen, dass zusätzliche Synchronisationsmeldungen zwischen den beiden Knoten ausgetauscht werden, um eine bessere Synchronisation zu erreichen.So far however, only the average deviation of the system time exceeds a threshold, the master can alternatively To do this, provide that additional synchronization messages between the two nodes are exchanged for better synchronization to reach.

Ein weiteres wesentliches Kriterium innerhalb des Netzwerks ist die Latenzzeit, sodass es von Interesse ist, die Latenzzeit einer Verbindung des Slaveknotens zum Master zu messen. Bei Überschreiten einer festgelegten Höchstlatenzzeit wird der Master die Verbindung des Slaveknotens wiederum lösen und einen alternativen Kommunikationspfad planen, sodass sich der Slaveknoten über einen anderen Brückenknoten mit dem Master kommunizieren kann, ohne dabei den Schwellwert der Latenzzeit zu überschreiten.One Another essential criterion within the network is the Latency, so it is of interest, the latency of a connection of the slave node to measure the master. When crossing a defined maximum latency, the master becomes the Solve the connection of the slave node again and an alternative Plan communication path so that the slave node via communicate another bridge node with the master can, without exceeding the threshold of latency.

Bei den Funkknoten handelt es sich üblicherweise um autonome, batteriebetriebene Knoten, deren Betriebsdauer im Wesentlichen von ihrem Energieverbrauch abhängt. Es ist daher eminent wichtig, den Energieverbrauch im Rahmen zu halten. Es ist daher innerhalb des Statusdatensatzes eine Zählvariable für die ununterbrochene Laufzeit der CPU des Knotens, sowie der Sende- und/oder der Empfangseinrichtungen als größte Energieverbraucher innerhalb des Knotens vorzusehen. Sobald die ununterbrochene Laufzeit dieser Komponenten einen Grenzwert übersteigt, wird der Master mehr Ruhezeiten für den fraglichen Knoten einplanen, um sicherzustellen, dass durch seltenere Wiederholungen der regelmäßigen Abfragen bei dem fraglichen Knoten eine größere Energieeinsparung erzielt werden kann. Insbesondere kann eine stärkere Belastung der CPU bzw. der Sende- und/oder Empfangseinrichtung dann erfolgen, wenn große Datenmengen zu bewältigen sind oder häufige Wiederholungen innerhalb der Kommunikation des fraglichen Knotens anstehen.at the radio nodes are usually autonomous, battery-operated nodes whose operating life is essentially of depends on their energy consumption. It is therefore eminently important to the To keep energy consumption within limits. It is therefore within the Status record a count variable for the continuous Running time of the CPU of the node, as well as the transmitting and / or receiving devices as the largest energy consumer within the node provided. Once the uninterrupted life of these components exceeds a threshold, the master will have more rest periods schedule for the node in question to ensure that by rarer repetitions of the regular Queries a larger one at the node in question Energy saving can be achieved. In particular, a stronger Load the CPU or the transmitting and / or receiving device then done when coping with large amounts of data are or frequent repetitions within the communication of the node in question.

Um die Anmeldung neuer Knoten oder um die Neuanmeldung von Knoten, deren Verbindung vom Master gelöst wurde, zu erleichtern, sollten möglichst viele Knoten regelmäßig Anmeldeaufforderungen broadcasten, um neuen Knoten die Möglichkeit zu geben, sich bei ihnen anzumelden. Insoweit wird jeder neu angemeldete Knoten eine Variable in dem Statusdatensatz vorsehen, in welcher eingetragen wird, wie viele Anmeldeaufforderungen im Zusammenhang mit der eigenen Anmeldung empfangen worden sind und gegebenenfalls auch wie viele Anmeldeknoten verfügbar waren, an welchen eine Anmeldung hätte durchgeführt werden können. Sofern diese Anzahlen jeweils einen Schwellwert nicht überschreiten, wird der Master zusätzliche Anmeldeaufforderungen von weiteren Slaveknoten einplanen, um die Anmeldesituation innerhalb des Netzwerks zu verbessern.Around the registration of new nodes or the new registration of nodes, whose connection has been solved by the master, to facilitate should have as many nodes as possible Broadcasting logon prompts to allow new nodes give to sign up with them. In that regard, everyone will be re-registered Node provide a variable in the status record in which is entered, how many login prompts related have been received with the own registration and if necessary also how many login nodes were available to which a registration could have been carried out. If these numbers do not exceed a threshold value, the master will have additional login prompts from others Schedule slave nodes to the logon situation within the network to improve.

Ebenfalls kann der Master aufgrund eines innerhalb des Statusdatensatzes mitgeführten Zählers für gescheiterte Verbindungsversuche bzw. für Wiederholungsversuche zum Anbahnen einer Verbindung entscheiden, ob die Anzahl derzeit ausgesendeter Anmeldeaufforderungen den Anforderungen ausreicht. Sofern der Zähler für die gescheiterten Verbindungsversuche bzw. Wiederholungsversuche einen hierfür vorgesehenen Schwellwert überschreitet, wird also der Master für die benachbarten Knoten zusätzliche Anmeldungsaufforde rungen einplanen, so dass ein Anmelden oder Wiederanmelden bei dem Netzwerk erleichtert wird.Also the master may be due to one carried within the status record Counter for failed connection attempts or for retries to initiate a connection decide if the number of currently issued logon prompts sufficient for the requirements. Unless the counter for the failed connection attempts or retry attempts one exceeds this threshold, So the master becomes additional for the neighboring nodes Schedule login requests so that logging in or signing in again is facilitated on the network.

Die vorstehend beschriebene Erfindung wird im Folgenden an Hand eines Ausführungsbeispiels näher erläutert.The The invention described above will be described below with reference to a Embodiment explained in more detail.

Es zeigenIt demonstrate

1 ein schematisch dargestelltes Funknetzwerk mit einem Master und 9 Knoten sowie ein Superframe zur Koordination der Kommunikation innerhalb des Netzwerks, 1 a schematically illustrated radio network with a master and 9 nodes as well as a superframe for the coordination of the communication within the network,

2 das Funknetzwerk gemäß 1 mit einer möglichen Ausgangskonfiguration der Kommunikation innerhalb des Superframes, 2 the wireless network according to 1 with a possible initial configuration of the communication within the superframe,

3 das Funknetzwerk gemäß 2 nach der Sperrung eines Frequenzkanals bzw. dem Wechsel eines anderen Frequenzkanals und 3 the wireless network according to 2 after the blocking of a frequency channel or the change of another frequency channel and

4 das Funknetzwerk gemäß 3 mit weiteren Maßnahmen des Masters. 4 the wireless network according to 3 with further measures of the master.

1 zeigt ein Funknetzwerk bestehend aus einem Master M und einer Reihe von Slaveknoten 1–9, welche letzteren teilweise als Brückenknoten 2, 3, 4, 5 und teilweise als endständige Knoten 1, 6, 7, 8 und 9 angeordnet sind. Diese Unterscheidung bezieht sich lediglich auf die momentane Lage im Netzwerk. Endständige Knoten und Brückenknoten sind ansonsten vollkommen gleichwertig. Die Knoten 1 bis 5 sind direkt mit dem Master M verbunden. Ebenfalls zeigt 1 ein Superframe, welches eine Anzahl von Zeitschlitzen S1 bis S8 zeigt, welche wiederum auf einer Reihe von Frequenzkanälen F1 bis F5 zur Verfügung stehen. Innerhalb des Funknetzwerks wird der Master M den Slaveknoten 1–9 für jeden Kommunikationsschritt einen Zeitschlitz S1 bis S8 und Frequenzkanal F1 bis F5 zuweisen. Innerhalb dieses Zeitschlitzes S1 bis S8 können die Slaveknoten 1–9 untereinander oder mit dem Master M kommunizieren oder Anmeldeaufforderungen A broadcasten um weitere Knoten in dem Netzwerk anzumelden. 1 shows a radio network consisting of a master M and a number of slave nodes 1 - 9 , the latter partly as a bridge node 2 . 3 . 4 . 5 and partly as terminal nodes 1 . 6 . 7 . 8th and 9 are arranged. This distinction only relates to the current situation in the network. Terminal nodes and bridge nodes are otherwise completely equivalent. The knots 1 to 5 are directly connected to the Master M. Also shows 1 a superframe showing a number of time slots S1 to S8, which in turn are available on a number of frequency channels F1 to F5. Within the radio network, the master M becomes the slave node 1 - 9 assign a time slot S1 to S8 and frequency channel F1 to F5 for each communication step. Within this time slot S1 to S8, the slave nodes 1 - 9 communicate with each other or with the master M or broadcasts login prompts A to register additional nodes in the network.

Im Rahmen der zwischen den Knoten 1–9 und dem Master M stattfindenden Kommunikation wird jeweils ein Statusdatensatz an den Master M übertragen, welchem der Master M von jedem Knoten eine Reihe für das Funknetzwerk relevanten Parametern entnehmen kann. Anhand dieser Parameter kann der Master M auf die Gestaltung des Funknetzwerks und der Einteilung der Knoten in das Superframe Einfluss nehmen um die Effizienz des Netzwerks zu optimieren.As part of the between the nodes 1 - 9 and the communication taking place in the master M, in each case a status data record is transmitted to the master M, to which the master M can extract from each node a number of parameters relevant to the radio network. Using these parameters, the master M can influence the design of the radio network and the division of the nodes into the superframe in order to optimize the efficiency of the network.

2 zeigt das Funknetzwerk mit einem beispielhaft ausgefüllten Superframe, in welchem teilweise Anmeldeaufforderungen einzelner Knoten innerhalb eines Zeitschlitzes S1 bis S8 vorgesehen sind, aber auch Kommunikationspfade für die Kommunikation der einzelnen Slaveknoten 1–9 mit dem Master angelegt sind. Im vorliegenden Fall ist es vorgesehen, dass der Knoten 1 innerhalb des Frequenzkanals F1 innerhalb von zwei Zeitschlitzen S2 und S6 mit dem Master M kommuniziert. In den Zeitschlitzen S1 und S5 wird der Knoten 1 Anmeldeaufforderungen A broadcasten, auf welche von Seiten anmeldewilliger Knoten geantwortet werden kann. Durch eine derartige Beantwortung einer Anmeldeaufforderung A kann der Anmeldevorgang in das Funknetzwerk eingeleitet werden. 2 shows the radio network with an exemplary filled superframe in which partial application prompts of individual nodes within a time slot S1 to S8 are provided, but also communication paths for the communication of the individual slave nodes 1 - 9 created with the master. In the present case, it is provided that the node 1 within the frequency channel F1 communicates with the master M within two time slots S2 and S6. In time slots S1 and S5, the node becomes 1 Logon prompts A which can be responded to by pages of the logon node. By answering a logon request A in this way, the logon process can be initiated in the radio network.

Auch den anderen Knoten 2–9 sind, teilweise zur Kommunikation und teilweise zur Aussendung von Anmeldeaufforderungen A, Zeitschlitze S1 bis S8 innerhalb der Frequenzkanäle F1 bis F5 zugeteilt.Also the other node 2 - 9 are, partially for communication and partly for the transmission of registration prompts A, allocated time slots S1 to S8 within the frequency channels F1 to F5.

3 zeigt das Funknetzwerk und den Superframe nach ersten Maßnahmen des Masters M. So ist dem Knoten 2 eine Nachricht zugegangen, welche von einem fremden WirelessHART-Netzwerk stammt und insoweit auch einem fremden Master zugedacht war. Hieraus leitet der Slaveknoten 2 eine Belegung mit dem fremden WireslessHART-Netzwerk auf dem von dem Knoten 2 benutzten Frequenzkanal F2 ab und meldet dies im Rahmen seiner Übertragung der Statusdaten an den Master M. Dieser setzt den Frequenzkanal F2 daraufhin für die Kommunikation innerhalb des Funknetzwerks auf eine Blacklist und sperrt damit den Zugriff auf den fraglichen Frequenzkanal F2. Hierzu ordnet er die bislang im Frequenzkanal F2 vorgesehenen Kommunikationsereignisse in andere Felder des Superframes um, konkret in den benachbarten Frequenzkanal F3. Aufgrund eines zu häufigen Ausbleibens von Bestätigungsmeldungen im Rahmen der Kommunikation des Brückenknotens 5 mit benachbarten Knoten wird auch sämtliche mit diesem Brückenknoten 5 stattfindende Kommunikation in einen anderen Frequenzkanal verlegt, nämlich konkret in den Frequenzkanal F4. Durch diese Maßnahmen verhindert der Master M häufige Wiederholungen auf dem Frequenzkanal F2, die aufgrund der zu erwartenden Kollisionen mit Nachrichten aus dem fremden Netzwerk zu befürchten sind. Ebenfalls verhindert der Master eine Reihe von unnötigen Wiederholungen auf dem Frequenzkanal F5, die aufgrund der offenbar schlechten Emp fangsqualität im Knoten 5 zu erwarten gewesen wären, nachdem dieser Knoten seine Nachrichten hätte mehrfach wiederholen müssen. 3 shows the radio network and the superframe after first action of the master M. So is the node 2 received a message that came from a foreign WirelessHART network and was also intended to a foreign master. The slave node derives from this 2 an assignment to the foreign WireslessHART network on the node 2 used frequency channel F2 and reports this as part of its transmission of status data to the master M. This then sets the frequency channel F2 for communication within the wireless network on a blacklist and thus blocks access to the frequency channel in question F2. For this purpose, he assigns the previously provided in the frequency channel F2 communication events in other fields of the superframe, specifically in the adjacent frequency channel F3. Due to too frequent absence of confirmation messages in the communication of the bridge node 5 with neighboring nodes will also all with this bridge node 5 relocated communication in another frequency channel, specifically in the frequency channel F4. Through these measures, the master M prevents frequent repetitions on the frequency channel F2, which are to be feared because of the expected collisions with messages from the foreign network. Also prevents the master a number of unnecessary repetitions on the frequency channel F5, due to the apparently poor Emp catch quality in the node 5 would have been expected after this node had to repeat its messages several times.

4 zeigt weitere Maßnahmen des Masters innerhalb des Funknetzwerks, welche zu dessen Optimierung beitragen sollen. So war ursprünglich festzustellen, dass der Knoten 9 sich nur schwer mit dem Anmeldeknoten 2 in Verbindung setzen konnte. Hieraus hat der Master M den Rückschluss gezogen, dass die Verbindung zwischen dem Slaveknoten 9 und dem Anmeldeknoten 2 nicht optimal sein könnte und löst die Verbindung zwischen den beiden Slaveknoten 2 und 9 und ersetzt den Kommunikationspfad durch eine Alternative. Hierfür eignet sich der in der Nähe des Knotens 9 befindliche Knoten 8, so dass der Master M diesen Knoten als neuen Brückenknoten für den Slaveknoten 9 auswählt und einplant. Knoten 9 geht daher eine Verbindung mit dem Knoten 8 ein und ist nun über diesen und den weiteren Brückenknoten 3 mit dem Master M verbunden. Nachdem zugleich deutlich wird, dass lediglich wenige Knoten für neue Verbindungen an dem Funknetzwerk zur Verfügung stehen, hat der Master M weitere Knoten mit der Aussendung von Anmeldeaufforderungen beauftragt und diese in entsprechenden Zeitschlitzen S1 bis S8 eingeplant. 4 shows further measures of the master within the wireless network, which should contribute to its optimization. So it was originally stated that the node 9 Difficult to connect to the login node 2 could contact. From this, the master M has drawn the conclusion that the connection between the slave node 9 and the login node 2 could not be optimal and solves the connection between the two slave nodes 2 and 9 and replaces the communication path with an alternative. For this purpose, it is suitable near the knot 9 located nodes 8th , so that the master M this node as a new bridge node for the slave node 9 selects and schedules. node 9 therefore connects to the node 8th and is now on this and the other bridge node 3 connected to the master M. At the same time, as it becomes clear that only a few nodes are available for new connections to the radio network, the master M has instructed further nodes to send out registration prompts and scheduled these in corresponding time slots S1 to S8.

Vorstehend beschrieben ist somit ein Verfahren zur Optimierung von Netzwerkstrukturen in Funknetzwerken, welches es dem Master des Netzwerks ermöglicht, Maßnahmen zur Verbesserung der Effizienz innerhalb des Netzwerks aufgrund von Informationen der Knoten zu ergreifen, welche sich auf die Verbindungsqualität der einzelnen Knoten untereinander beziehen. Dies wird durch die Übermittlung eines Statusdatensatzes mit die Netzwerkverbindung charakterisierenden Parametern an den Master realisiert, auf welche der Master mit der Ergreifung geeigneter, in festen Regeln vorgegebener Maßnahmen reagieren kann.Thus, what has been described above is a method for optimizing network structures in radio networks, which enables the master of the network to take measures to improve the efficiency within the network based on information of the nodes, which is related to the connection quality of the individual nodes refer to other. This is realized by the transmission of a status data set with parameters characterizing the network connection to the master, to which the master can react with the taking of suitable measures given in fixed rules.

AA: Anmeldeaufforderunglogin prompt
F1–F5F1-F5: Frequenzkanälefrequency channels
MM: Mastermaster
S1–S8S1-S8: Zeitschlitzetime slots
1–91-9: Slaveknotenslave node
1–9, M1-9 M: Anmeldeknotenregistration nodes
2, 3, 4, 52, 3, 4, 5: Brückenknotenbridge node

ZITATE ENTHALTEN IN DER BESCHREIBUNGQUOTES INCLUDE IN THE DESCRIPTION

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Zitierte PatentliteraturCited patent literature

US 7420980 B1 [0002]

Claims

Method for optimizing network structures in radio networks, in which one master (M) connects each connected slave node ( 1 - 9 ) assigns at least one time slot (S1-S8) and at least one frequency channel (F1-F5) for communication and the slave node ( 1 - 9 ) cyclically calls to send within its time slot (S1-S8) on the frequency channel assigned to it (F1-F5) at least one data packet which regularly or in the case of an explicit request of the master (M) a status record with on the side of the slave node ( 1 - 9 ), characterized in that the status data on the side of the slave nodes ( 1 - 9 ) comprise parameters for characterizing the radio link quality, the master (M) evaluates the status data and then automatically initiates measures for optimizing the efficiency of the radio network.

Process according to claim 1, characterized characterized in that the master (M) within a time slot (S1-S8) several frequency channels (F1-F5) available at the same time, whereby the master (M) a frequency channel (F1-F5) at least within a time slot (S1-S8) can block for communication.

Process according to claim 2, characterized characterized in that within the status record an error counter for on a frequency channel (F1-F5) occurring Checksum error is included, with the master (M) one Frequency channel (F1-F5) locks as soon as the error counter for this frequency channel (F1-F5) exceeds an error threshold.

Method according to claim 2 or 3, characterized in that two mutually communicating nodes ( 1 - 9 , M) within the radio network, acknowledging receipt of a data packet with a confirmation message, the status record comprising a count for expected but not received acknowledgment messages and the master (M) disabling a frequency channel (F1-F5) as soon as the counter for that frequency channel ( F1-F5) exceeds a counter threshold.

Method according to one of claims 2 to 4, characterized in that within the status data set a flag from the slave node ( 1 - 9 ) is set when a use of the frequency channel (F1-F5) is detected by a foreign radio network, and the master (M) then blocks this frequency channel (F1-F5).

Method according to Claim 5, characterized in that the flag for a frequency channel (F1-F5) is set when the signal in the slave node ( 1 - 9 ) detected energy level on this frequency channel (F1-F5) exceeds an energy threshold.

A method according to claim 5 or 6, characterized in that the flag for a frequency channel (F1-F5) is then set if at least one data packet is received, which originates from a foreign radio network or intended for a foreign radio network.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a communication between the master (M) and a slave node ( 1 - 9 ) with the interposition of at least one bridge node ( 2 . 3 . 4 . 5 ), whereby the master connects a slave node ( 1 - 9 ) with a bridge node ( 2 . 3 . 4 . 5 ) and preferably then can plan a new communication path.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that a slave node ( 1 - 9 ) during a restart or loss of a connection with a bridge node ( 2 . 3 . 4 . 5 ) on the part of possible login nodes ( 1 - 9 , M), and responds to its login request (A) to initiate a connection to a login node located in range, or is scheduled by the master (M) into a different communication path.

A method according to claim 9, characterized in that the status data set comprises a failed connection counter and / or a retry counter for initiating a connection, wherein the master (M) determines the connection of the slave node ( 1 - 9 ) with its predecessor node ( 2 . 3 . 4 . 5 , M) and, if appropriate, a new communication path to the slave node ( 1 - 9 ) schedules if any of these counters exceeds a threshold.

Method according to one of claims 9 or 10, characterized in that a communication between the master (M) and a slave node ( 1 - 9 ) via an at least one bridge node ( 2 . 3 . 4 . 5 path), wherein the status record contains a Received Signal Strength Indication (RSSI) for communication with the downstream node (FIG. 1 - 9 , M) and the master (M) the connection of the slave node ( 1 - 9 ) with its predecessor node ( 2 . 3 . 4 . 5 , M) and, if appropriate, a new communication path to the slave node ( 1 - 9 ) plans if the RSSI of at least one node ( 1 - 9 , M) falls below an RSSI threshold on the path.

Method according to one of the preceding Claims, characterized in that the status data record a maximum time difference between the system times in the slave node ( 1 - 9 ) and the preceding on the communication path to the master (M) bridge node ( 2 . 3 . 4 . 5 ), wherein the master (M) the connection in question of the slave node ( 1 - 9 ) solves when the maximum time difference exceeds a time threshold and preferably at the same time another logon node ( 2 . 3 . 4 . 5 , M), from whose system time the system time of the slave node ( 1 - 9 ) differs less.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the status data record a mean time difference between the system times in the slave node ( 1 - 9 ) and the preceding on the communication path to the master (M) bridge node ( 2 . 3 . 4 . 5 ), wherein the master (M) the slave node ( 1 - 9 ) and the bridge node preceding the path ( 2 . 3 . 4 . 5 ) pretends to exchange additional synchronization messages with each other.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the status data record a maximum or average latency of a connection between master (M) and slave nodes ( 1 - 9 ), wherein the master (M) when exceeding a latency threshold by the maximum or average latency, the connection of the slave node ( 1 - 9 ) and, if appropriate, a new communication path to the slave node ( 1 - 9 ) plans on other bridge nodes.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the status data set comprises an uninterrupted runtime of a CPU, a transmitting and / or a receiving device, wherein the master (M) the frequency of calls of the respective slave node ( 1 - 9 ) decreases if this continuous runtime exceeds a runtime threshold.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the status record comprises a counter for the number of logon nodes ready to receive a connection and / or for the number of logon prompts received (A), the master (M) including additional nodes (A). 1 - 9 ) for sending further logon prompts (A) if these meters do not exceed a threshold.

Method according to one of the preceding claims, characterized in that the radio network is a WirelessHART network.